JP2019118963A

JP2019118963A - 電動工具

Info

Publication number: JP2019118963A
Application number: JP2017253088A
Authority: JP
Inventors: 喬三藤; Takashi Mitsufuji
Original assignee: Kyocera Industrial Tools Corp
Current assignee: Kyocera Industrial Tools Corp
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-07-22

Abstract

【課題】インバータ回路等の機器の破損を防止する。【解決手段】この電動工具１０は、モータ３１の回転駆動を制御する制御部５０を備えており、制御部５０は、スイッチ装置２９と、ダイオード５４と、インバータ回路５２と、制御回路５１と、電圧・電流検知手段５３と、を備えている。そして、スイッチ装置２９がオフ状態となるとともに制御回路５１が複数のスイッチング素子４１ａのうちの一部のスイッチング素子４１ａを同時にオン・オフさせることを繰り返すことでモータ３１にソフトブレーキを掛けたとき、電圧・電流検知手段５３がモータ３１で発生する回生電流によりインバータ回路５２内で所定以上の電圧・電流を検知した場合に、制御回路５１によるソフトブレーキの実行を停止するようにした。【選択図】図５

Description

本発明は、電動工具に関するものである。

ブラシレスモータ駆動の充電池式電動工具では、ＦＥＴ等のスイッチング素子を短絡等させることでＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により徐々にブレーキを掛ける方法が行われている。このブレーキ方法は、ソフトブレーキとも呼ばれる方法であり、電動工具の駆動スイッチをオフさせた後に、先端工具を緩やかに停止させるために使用されている。そして、このソフトブレーキを掛けた際には、モータから回生電流（電圧）が発生することが知られている。この回生電流（電圧）は、一般的に電池に回生して充電という形で吸収されるが、モータ駆動時に回生電流（電圧）が流れて電源電圧が上昇することは好ましくない。そこで、例えば下記特許文献１には、制御回路と動作方法を工夫することで、モータ駆動時に回生電流（電圧）が流れて電源電圧が上昇するのを抑制することのできる電動工具の構成が開示されている。

特開２０１７−７０１０３号公報

しかしながら、上掲した特許文献１に記載の電動工具に代表される従来の電動工具は、通常動作時における回生電流（電圧）への対応を行うことを想定したものであり、突発的な事態が発生した場合の対応が不可能となっている。例えば、電池が過充電状態だったり、電池が外れたりなどして回生電流の逃げ場が無くなったりした場合、あるいは先端工具の質量が大きいために過剰な回生電流（電圧）が発生した場合などといった通常動作以外の突発的な事態が発生した場合、従来の電動工具の構成では、回生電流（電圧）が過電圧・過電流となってインバータ回路（ブリッジ回路）等を破損させる虞があった。

特に、電動工具から電池が外れてしまった場合、モータ制御回路は平滑コンデンサ等に残った電力で数秒間は動作を続け、その間ソフトブレーキを維持し続けるため、従来の電動工具の構成では、特にインバータ回路（ブリッジ回路）が破損し易いといった課題が存在していた。

また、この種の電動工具では、回生電流（電圧）の逃げ場が無くなるケースは上述した場合以外にも存在しており、例えば、電動工具本体側の端子と電池側の端子とが接触状態と非接触状態とを繰り返す現象（チャタリング）や、粉塵が両端子間に介在して導通不良となるケースなどがあり、それらの課題に対する対策が求められていた。

しかし、上記特許文献１に開示される電動工具には、回生電流（電圧）をスイッチング素子とモータ巻線との間で閉ループを形成して還流させたり、電池に回生させたりするなどして抑制する方法が開示されているが、上記したように電源を喪失した場合等といった突発的な事態が発生した場合には、回生電流（電圧）が過電圧・過電流となってインバータ回路（ブリッジ回路）を破損させる虞が残っており、従来技術には改善の余地が残されていた。

本発明は、上述した従来技術に存在する課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、例えば、ソフトブレーキ中に電源を喪失する等といった突発的な事態が発生した場合であっても、回生電流（電圧）が過電圧・過電流となることを防止することで、インバータ回路等の機器の破損を防止できる電動工具を提供することにある。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

本発明に係る電動工具（１０）は、駆動源であるモータ（３１）を内部に収納するケーシング（１２）と、前記モータ（３１）に電力を供給する電源部（１４）と、前記モータ（３１）からの回転駆動力を受けて回転駆動する回転工具と、前記ケーシング（１２）内に設置されて前記モータ（３１）の回転駆動を制御する制御部（５０）と、を備える電動工具（１０）であって、前記制御部（５０）は、前記電源部（１４）と前記モータ（３１）の間に設置されて前記電源部（１４）から前記モータ（３１）へ供給される電力のオン・オフを行うスイッチ装置（２９）と、前記スイッチ装置（２９）と並列配置されるダイオード（５４）と、前記電源部（１４）の正極側および負極側と前記モータ（３１）の複数の端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）との間にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子（４１ａ）を有するインバータ回路（５２）と、前記インバータ回路（５２）を構成する前記複数のスイッチング素子（４１ａ）のオン・オフを制御することで前記モータ（３１）に流れる電流をＰＷＭ制御する制御回路（５１）と、前記電源部（１４）と前記インバータ回路（５２）との間に設けられる電圧・電流検知手段（５３）と、を備え、前記スイッチ装置（２９）がオフ状態となるとともに前記制御回路（５１）が前記複数のスイッチング素子（４１ａ）のうちの一部のスイッチング素子（４１ａ）を同時にオン・オフさせることを繰り返すことで前記モータ（３１）にソフトブレーキを掛けたとき、前記電圧・電流検知手段（５３）が前記モータ（３１）で発生する回生電流により前記インバータ回路（５２）内で所定以上の電圧・電流を検知した場合に、前記制御回路（５１）によるソフトブレーキの実行を停止するようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る電動工具（１０）では、前記制御回路（５１）によるソフトブレーキの実行中に前記電源部（１４）を喪失した場合にも、前記電圧・電流検知手段（５３）による前記インバータ回路（５２）内での回生電流の検知と、前記電圧・電流検知手段（５３）が前記モータ（３１）で発生する回生電流により前記インバータ回路（５２）内で所定以上の電圧・電流を検知した場合に、前記制御回路（５１）によるソフトブレーキの実行を停止する動作を継続可能である。

本発明によれば、ソフトブレーキ中に電源を喪失する等といった突発的な事態が発生した場合であっても、回生電流（電圧）が過電圧・過電流となることを防止することで、インバータ回路等の機器の破損を防止できる電動工具を提供することができる。

本実施形態に係る手持ち式電動工具の上面外観図である。図１におけるＡ−Ａ断面を示す縦断面図である。図２におけるＢ−Ｂ断面を示す横断面図である。図２におけるＣ−Ｃ断面を示す縦断面図である。本実施形態に係る手持ち式電動工具の回路構成を模式的に示したブロック図である。本実施形態に係る手持ち式電動工具の電源をオフ状態とした際に実行されるソフトブレーキの動作状態を説明するためのタイムテーブル図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

まず、図１〜図４を用いて、本実施形態に係る電動工具である手持ち式電動工具１０の基本構成を説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る手持ち式電動工具の上面外観図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面を示す縦断面図である。また、図３は、図２におけるＢ−Ｂ断面を示す横断面図であり、図４は、図２におけるＣ−Ｃ断面を示す縦断面図である。

図１〜図３にて示すように、本実施形態に係る手持ち式電動工具１０は、手持ち式の携帯用グラインダとして構成されるものであり、操作者が片手で持つことができるように略円筒状に形成されたハウジング１１を備えるとともに、研削作業を行うための回転工具（先端工具）である円盤状の砥石（不図示）を設置可能に構成されている。

ハウジング１１は、駆動源となるモータ３１を内部に収納するケーシングとしてのモータケース１２と、モータ３１からの回転駆動力を受けてこの回転駆動力を不図示の砥石に伝達するための複数の歯車群等からなる駆動力伝達手段を収納するギアケース１３とによって構成されている。

モータケース１２は、樹脂又はアルミニウム合金などの金属製の部材によって構成されており、このモータケース１２におけるモータ収納部分の外周箇所が、操作者から把持を受ける把持部として構成される。モータケース１２の外郭形状は、操作者が把持し易いように略円筒状に形成されており、その表面には、滑り止めのための凹凸形状１２ａが形成されている。また、モータケース１２の後方側（図１における紙面下側）には、モータ３１に対して電力を供給するための電源部であるバッテリパック１４を設置可能となっている。

モータケース１２の前方側（図１における紙面上側）に連結されるギアケース１３は、例えばアルミニウム合金などの金属製の部材により構成されている。そして、このギアケース１３の下部には、研削作業を行うこととなる回転工具としての不図示の砥石が配置されており、不図示の砥石の背面側には、操作者に対して切粉などが飛散しないようにするために、安全カバーを設置することも可能である。

手持ち式電動工具１０の内部構造を描いた図２および図３にて示されるように、モータケース１２の内部には不図示の砥石を駆動するための駆動源となるモータ３１が収納されており、このモータ３１は、モータ軸３２の軸心が略円筒状のモータケース１２の軸心と略重畳するように配置されている。また、モータ軸３２の前端部３２ａはモータケース１２内からギアケース１３内へと突出し、モータケース１２とギアケース１３とで挟まれた位置で固定された前部ベアリング１７に支持されている。一方、モータ軸３２の後端部３２ｂは、モータケース１２の後部において後部ベアリング１８に支持されている。したがって、モータ軸３２は、前後部のベアリング１７，１８により両端部３２ａ，３２ｂを支持されることで、高速回転できるように構成されている。

モータ軸３２の前端部３２ａの側には、モータケース１２内に収まるように冷却ファン１９が設置されている。冷却ファン１９は、モータケース１２内に配置されることで、モータケース１２の内部に冷却風を通す役割を果たしている。したがって、モータ軸３２と共に冷却ファン１９が回転すると、外気がモータケース１２内に取り込まれ、モータケース１２内の隙間を通ってモータ３１等を冷却した後、機外に排出される。

ギアケース１３内には、モータ軸３２の前端部３２ａに固定される小傘歯車２３と、この小傘歯車２３に噛み合う大傘歯車２４が収納されている。大傘歯車２４は、ギアケース１３内にベアリング２５，２６を介してモータ軸３２の軸線方向に対して直交する方向で支持された駆動軸２７に固定されており、この駆動軸２７がギアケース１３の外方に突出し、この突出箇所に対して不図示の砥石を着脱自在に固定することが可能となっている。これら小傘歯車２３、大傘歯車２４、駆動軸２７等の部材が駆動力伝達手段として機能することにより、モータ３１が回転すると、この回転駆動力がモータ軸３２から小傘歯車２３、大傘歯車２４へと伝達され、最終的に駆動軸２７を介して不図示の砥石が回転することになり、被加工対象物に対する研削加工が実行可能となる。

また、モータケース１２の上方前端部には、スイッチボタン２８が設置されている。このスイッチボタン２８には、モータケース１２内でモータケース１２の前後方向（図１における紙面上下方向）に移動可能な操作アーム２８ａが接続されており、さらに、操作アーム２８ａにおけるスイッチボタン２８との接続側とは逆側の端部には、スイッチ装置２９が配置されている。したがって、操作者がスイッチボタン２８を切り替え操作すると、その切り替え動作に応じて操作アーム２８ａがモータケース１２内を前後方向に移動し、スイッチ装置２９のオン・オフの切り替えを実行できるようになっている。例えば、操作者がスイッチボタン２８を前方側にスライドさせると、操作アーム２８ａがスイッチ装置２９のノブを押してスイッチ装置２９をオン状態とし、操作者がスイッチボタン２８を後方側にスライドさせると、操作アーム２８ａがスイッチ装置２９のノブの押圧を解除してスイッチ装置２９をオフ状態とすることができる。このように、操作者がスイッチボタン２８を切り替え操作することによってスイッチ装置２９のオン・オフが切り替わることで、モータ３１が回転又は停止し、手持ち式電動工具１０の操作を行うことが可能となっている。

さらに、モータケース１２の内部後方位置には、モータ３１の回転駆動を制御するための回路基板４１が収納設置されている。本実施形態に係る回路基板４１には、当該回路基板４１の基板面に対して放熱のためのヒートシンク４２が設置されている。図４に示すように、回路基板４１の基板面には、発熱源となるスイッチング素子４１ａ等の部材が設置されている。ヒートシンク４２は、これら発熱源となるスイッチング素子４１ａ等の部材を回路基板４１と挟み込んだ状態で設置されている。また、ヒートシンク４２は、当該ヒートシンク４２の表面積を大きくするために設けられた放熱フィン４２ａを複数備えているので、この複数の放熱フィン４２ａの作用によって、スイッチング素子４１ａ等の部材からの熱を放熱できるように構成されている。

なお、本実施形態に係る回路基板４１には、スイッチング素子４１ａ等の他に、様々な回路部材が組み込まれており、当該回路基板４１とスイッチ装置２９によって、本実施形態に係る制御部５０が構成されている。

以上のような基本構成を備えることで、本実施形態に係る手持ち式電動工具１０は、操作者がモータケース１２を片手で把持し、手の指でスイッチボタン２８を前方に動かしてスイッチ装置２９をオン状態にすると、モータ３１が回転し、モータ軸３２から小傘歯車２３、大傘歯車２４へと動力が伝達され、不図示の砥石が回転する。これにより、被加工対象物に対して研削加工を行うことができる。このとき、モータ軸３２の回転と同時に冷却ファン１９が回転するので、外気がモータケース１２内に取り込まれる。この外気が、モータケース１２の内壁面とモータ３１との間などの隙間を通ってモータ３１やヒートシンク４２などの発熱源を冷却した後、モータケース１２内を通り抜けて機外に排出されるので、安全・安定した手持ち式電動工具１０の動作が実現されている。研削作業が終了し、操作者がスイッチボタン２８を後方に動かしてスイッチ装置２９をオフ状態にすると、モータ３１が停止し、不図示の砥石が回転を停止する。

以上、本実施形態に係る手持ち式電動工具１０の基本構成について説明したが、本実施形態に係る手持ち式電動工具１０は、さらなる有意な特徴を有している。そこで次に、図５および図６を用いて、本実施形態に係る手持ち式電動工具１０の構成と動作をさらに説明する。

ここで、図５は、本実施形態に係る手持ち式電動工具の回路構成を模式的に示したブロック図である。また、図６は、本実施形態に係る手持ち式電動工具の電源をオフ状態とした際に実行されるソフトブレーキの動作状態を説明するためのタイムテーブル図である。

図５で示すように、本実施形態に係る手持ち式電動工具１０では、駆動源であるモータ３１と、このモータ３１に対して電力を供給するための電源部であるバッテリパック１４との間を接続するように制御部５０が設置されている。制御部５０は、バッテリパック１４とモータ３１の間に設置されてバッテリパック１４からモータ３１へ供給される電力のオン・オフを行うスイッチ装置２９と、このスイッチ装置２９と並列配置されるダイオード５４と、を有して構成されている。ダイオード５４は、整流作用（電流を一定方向にしか流さない作用）を持つ電子素子であり、例えば、スイッチ装置２９がオフ状態となったときに制御回路中に発生した回線電流（電圧）を、モータ３１側からバッテリパック１４側への一方向だけに流すことを許容する部材として配置されている。

また、制御部５０は、バッテリパック１４の正極側および負極側とモータ３１の複数の端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）との間にそれぞれ設けられた６個のスイッチング素子４１ａを有するインバータ回路５２と、このインバータ回路５２を構成する６個のスイッチング素子４１ａのオン・オフを制御することでモータ３１に流れる電流をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する制御回路５１と、を備えている。制御回路５１は、６個のスイッチング素子４１ａのオン・オフを制御することでモータ３１に流れる電流を制御できるように構成されており、例えばソフトブレーキなどの動作制御をモータ３１に対して実行することが可能となっている。なお、図５では、６個のスイッチング素子４１ａの符号の末尾に括弧書きで番号が示されているが、この番号は、各スイッチング素子４１ａを構成するＦＥＴを識別するための固有番号である。

さらに、制御部５０は、バッテリパック１４とインバータ回路５２との間に電圧・電流検知手段５３を備えている。この電圧・電流検知手段５３は、バッテリパック１４の正極側と負極側のそれぞれに１つずつ、合計２個設置されており、これら２個の電圧・電流検知手段５３は、いずれも制御回路５１と接続して当該制御回路５１に対して動作指令信号を送信可能となっている。例えば、制御回路５１によるソフトブレーキの実行時に、電圧・電流検知手段５３が、モータ３１で発生した回生電流（電圧）がインバータ回路５２内で所定以上の電圧・電流を示したと検知したとき、電圧・電流検知手段５３は制御回路５１に対してソフトブレーキの実行を停止するように指令することができる。

以上、図５を参照して本実施形態に係る手持ち式電動工具１０の回路構成を説明した。次に、図６を参照して、本実施形態に係る手持ち式電動工具１０にソフトブレーキを掛ける際の動作状態についての説明を行う。なお、図６では、最上段にスイッチ装置２９によるスイッチ信号の様子、すなわち、スイッチ装置２９のオン・オフ状態が示されている。また、スイッチ信号の下段には、スイッチ装置２９のオン・オフ状態に応じたインバータ回路５２における６個のスイッチング素子４１ａに対する制御回路５１からのスイッチング素子制御信号の様子が示されている。

スイッチ信号がオン状態の時には、制御回路５１がインバータ回路５２を構成する６個のスイッチング素子４１ａに対して駆動信号を送信することで、モータ３１に対してバッテリパック１４からの電力が供給され、モータ３１は回転駆動を行う。この状態からスイッチボタン２８が操作されてスイッチ装置２９（すなわち、スイッチ信号）がオフ状態となると、インバータ回路５２を構成する６個のスイッチング素子４１ａは、制御回路５１からの動作指令によりオフ状態とされる。このオフ状態の区間は、１００ｍｓｅｃという短い時間間隔で実行される。

１００ｍｓｅｃのオフ区間に続いて、制御回路５１はインバータ回路５２に対してソフトブレーキ信号を送信する。ソフトブレーキ信号によってインバータ回路５２を構成する６個のスイッチング素子４１ａのうちの２番、４番、６番のスイッチング素子４１ａ（２），４１ａ（４），４１ａ（６）を同時にオン・オフさせることを繰り返すことで、モータ３１にソフトブレーキを掛ける。このソフトブレーキは、１０００ｍｓｅｃの時間間隔で実行される。

そして、ソフトブレーキが行われると、モータ３１からは回生電流（電圧）が発生する。この回生電流（電圧）は、２個の電圧・電流検知手段５３によって、その電圧値・電流値が常時監視されている。２個の電圧・電流検知手段５３によって検出された回生電流（電圧）の電圧値・電流値が所定値より小さい場合には、スイッチ装置２９と並列配置されたダイオード５４を用いてバッテリパック１４側に回生電流（電圧）を流し、バッテリパック１４の充電が行われる。また、ソフトブレーキの実行も継続される。

一方、例えば、バッテリパック１４が過充電状態だったり、バッテリパック１４が外れたりなどして回生電流（電圧）の逃げ場が無くなったりした場合、あるいは回転工具（先端工具）である円盤状の砥石（不図示）の質量が大きいために過剰な回生電流（電圧）が発生した場合などといった通常動作以外の突発的な事態が発生した場合、回生電流（電圧）の電圧値・電流値は所定値以上となる。そして、２個の電圧・電流検知手段５３によって検出された回生電流（電圧）の電圧値・電流値が所定値以上であった場合には、異常値を検出した電圧・電流検知手段５３から制御回路５１に対して異常値検出の信号が発信され、当該信号を受信した制御回路５１は、ソフトブレーキの実行を停止するために、６個のスイッチング素子４１ａの全てをオフ状態とするように動作指令する。かかるソフトブレーキの停止動作指令によって、ソフトブレーキ動作は直ちに停止されるので、過剰な回生電流（電圧）から制御部５０等を保護することが可能となる。

なお、本実施形態に係る手持ち式電動工具１０では、上述した制御回路５１によるソフトブレーキの実行中にバッテリパック１４を喪失した場合にも、電圧・電流検知手段５３によるインバータ回路５２内での回生電流（電圧）の検知と、電圧・電流検知手段５３がモータ３１で発生する回生電流（電圧）によりインバータ回路５２内で所定以上の電圧・電流を検知した場合に、制御回路５１によるソフトブレーキの実行を停止する動作を継続することが可能となっている。かかる動作は、本実施形態に係る手持ち式電動工具１０の回路構成により実現されるものであり、インバータ回路５２等の機器の破損を防止可能となっている。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、上述した実施形態では、本発明を手持ち式電動工具１０に適用した場合を例示したが、本発明については、ハンドドリルや丸鋸等といった、あらゆる形式の電動工具に対して適用することが可能である。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０手持ち式電動工具、１１ハウジング、１２モータケース、１２ａ凹凸形状、１３ギアケース、１４バッテリパック、１７前部ベアリング、１８後部ベアリング、１９冷却ファン、２３小傘歯車、２４大傘歯車、２５，２６ベアリング、２７駆動軸、２８スイッチボタン、２８ａ操作アーム、２９スイッチ装置、３１モータ、３２モータ軸、３２ａ前端部、３２ｂ後端部、４１回路基板、４１ａスイッチング素子、４２ヒートシンク、４２ａ放熱フィン、５０制御部、５１制御回路、５２インバータ回路、５３電圧・電流検知手段、５４ダイオード。

Claims

駆動源であるモータを内部に収納するケーシングと、
前記モータに電力を供給する電源部と、
前記モータからの回転駆動力を受けて回転駆動する回転工具と、
前記ケーシング内に設置されて前記モータの回転駆動を制御する制御部と、
を備える電動工具であって、
前記制御部は、
前記電源部と前記モータの間に設置されて前記電源部から前記モータへ供給される電力のオン・オフを行うスイッチ装置と、
前記スイッチ装置と並列配置されるダイオードと、
前記電源部の正極側および負極側と前記モータの複数の端子との間にそれぞれ設けられた複数のスイッチング素子を有するインバータ回路と、
前記インバータ回路を構成する前記複数のスイッチング素子のオン・オフを制御することで前記モータに流れる電流をＰＷＭ制御する制御回路と、
前記電源部と前記インバータ回路との間に設けられる電圧・電流検知手段と、
を備え、
前記スイッチ装置がオフ状態となるとともに前記制御回路が前記複数のスイッチング素子のうちの一部のスイッチング素子を同時にオン・オフさせることを繰り返すことで前記モータにソフトブレーキを掛けたとき、前記電圧・電流検知手段が前記モータで発生する回生電流により前記インバータ回路内で所定以上の電圧・電流を検知した場合に、前記制御回路によるソフトブレーキの実行を停止するようにしたことを特徴とする電動工具。
請求項１に記載の電動工具において、
前記制御回路によるソフトブレーキの実行中に前記電源部を喪失した場合にも、
前記電圧・電流検知手段による前記インバータ回路内での回生電流の検知と、
前記電圧・電流検知手段が前記モータで発生する回生電流により前記インバータ回路内で所定以上の電圧・電流を検知した場合に、前記制御回路によるソフトブレーキの実行を停止する動作を継続可能であることを特徴とする電動工具。